電力系統(tǒng)寬頻相量測量裝置的設(shè)計及測試

吳琛，劉旭斐，程旻，張斌

（云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 前言

隨著我國新能源大規(guī)模接入、區(qū)域電網(wǎng)間遠(yuǎn)距離直流輸電技術(shù)的廣泛應(yīng)用，負(fù)荷側(cè)變頻電機(jī)、電動汽車、高速列車、地鐵等換流器并網(wǎng)的負(fù)荷的規(guī)?；尤耄娏ο到y(tǒng)呈現(xiàn)出電力電子化趨勢[1]。多樣化電力電子設(shè)備、傳統(tǒng)電力設(shè)備、輸電網(wǎng)絡(luò)三者之間交互作用會引起電力系統(tǒng)寬頻帶振蕩問題[2]。近年來世界各國發(fā)生了多起由電力電子設(shè)備引起的電力系統(tǒng)寬頻振蕩事件，如，2009年美國德州Ajo風(fēng)電場發(fā)生的25 Hz左右的次同步振蕩[3]；2012年以來，我國沽源風(fēng)電場發(fā)生多次3～12 Hz的次同步振蕩[4]；2015年新疆哈密地區(qū)的風(fēng)電場發(fā)生10～40 Hz的次同步振蕩和60～90 Hz的超同步振蕩[5]。寬頻振蕩不僅會造成電力設(shè)備損壞進(jìn)而引發(fā)新能源發(fā)電設(shè)備脫網(wǎng)事故，而且寬頻振蕩的頻率分量會攜帶能量在電網(wǎng)中大范圍傳播，可能會誘發(fā)電力系統(tǒng)功率振蕩問題[6-8]，從而造成大規(guī)模停電事故。“十三五”期間云南電網(wǎng)實現(xiàn)了以±800 kV特高壓等8回直流與其他四省區(qū)電網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)，“西電東送”規(guī)模持續(xù)增長，省內(nèi)風(fēng)、光新能源發(fā)電規(guī)模及占比逐年提升，電力系統(tǒng)的電力電子化特征日趨顯著，復(fù)雜控制作用下，呈現(xiàn)多時間尺度的電壓、功角耦合，超低頻振蕩、低頻振蕩、次/超同步振蕩等多模態(tài)穩(wěn)定問題，實時監(jiān)測掌握電力系統(tǒng)運(yùn)行態(tài)勢對保障電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

電力系統(tǒng)廣域監(jiān)測系統(tǒng)（WA ms）已廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)動態(tài)監(jiān)測、事故分析、保護(hù)與控制等[9-10]。其中，同步相量測量裝置（PMU）是保證WA ms正常運(yùn)行的前提和基礎(chǔ)。傳統(tǒng)PMU重點關(guān)注45～55 Hz范圍內(nèi)的工頻信號，為了提高監(jiān)測的準(zhǔn)確性，需要濾除間諧波及諧波信號[11-12]，因此傳統(tǒng)PMU無法滿足次/超同步振蕩及高頻振蕩的監(jiān)測要求。文獻(xiàn)[13]從目前的相量測量技術(shù)出發(fā)，提出了寬頻相量測量的技術(shù)方案和設(shè)計框架，為寬頻相量測量提供了一定的思路，但沒有給出具體的實現(xiàn)方法。文獻(xiàn)[14]分析了傳統(tǒng)相量測量技術(shù)的局限性，討論了實現(xiàn)寬頻監(jiān)測需要采樣頻率、相量數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議及時標(biāo)對時等問題。

為了實現(xiàn)對新能源并網(wǎng)引起的寬頻振蕩監(jiān)測，本文設(shè)計了一款能夠檢測次/超同步相量及高頻諧波、間諧波的寬頻相量測量裝置。首先對該裝置的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行介紹；其次闡述了該裝置的基本功能及實現(xiàn)方法；最后在實驗室環(huán)境下借助信號發(fā)生器對寬頻相量監(jiān)測裝置的檢測范圍及精度進(jìn)行測試，結(jié)果表明：該裝置能對2.5～100 Hz范圍內(nèi)的基波及次/超同步相量行檢測，同時還能捕獲100 Hz以上的諧波及間諧波。該裝置可以快速、準(zhǔn)確地監(jiān)測電力系統(tǒng)的次/超同步振蕩及高頻諧波及間諧波，為電力運(yùn)行調(diào)度人員提供有效的決策信息。

1 寬頻相量測量裝置基本結(jié)構(gòu)

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

WPMU采用FPGA、DSP和ARM等3種異構(gòu)芯片相互協(xié)同的方式運(yùn)行，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中，F(xiàn)PGA完成交流量、開入量等信號的采集；DSP負(fù)責(zé)電壓、電流等信號的相量計算、告警判斷和錄波觸發(fā)等工作；ARM作為管理CPU，主要完成人機(jī)界面顯示、面板指示燈驅(qū)動、數(shù)據(jù)存儲以及與外部通訊等任務(wù)。W-PMU裝置采用雙DSP模式，其中一個DSP負(fù)責(zé)基波相量和整數(shù)諧波相量的計算；另一個DSP負(fù)責(zé)次/超同步相量及高頻間諧波相量的自適應(yīng)計算。該裝置采用分布式結(jié)構(gòu)設(shè)計，各異構(gòu)芯片間之間通過MMU高速數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 W-PMU的硬件結(jié)構(gòu)

1.2 數(shù)據(jù)采集

目前傳統(tǒng)的檢測裝置僅考慮基波信號及2～50次的諧波，大量的間諧波信號并未考慮，且高于50次的諧波也不能被有效檢測。數(shù)據(jù)采集是寬頻信號處理的前提和基礎(chǔ)，其采集數(shù)據(jù)的精度和范圍直接決定了是否滿足信號處理的基本要求。目前常見的采樣互感器，如電子式互感器、電磁式互感器，均能滿足采樣范圍（9 kHz內(nèi)）的要求。

傳統(tǒng)PMU每秒采樣點個數(shù)一般為64、96、128、192及384[15]。本文的WPMU裝置使用的采用頻率為9600 Hz，即每周期的采樣點為192點，能夠?qū)崿F(xiàn)4.8 kHz以內(nèi)信號的檢測，滿足目前電力系統(tǒng)中常見的次/超同步振蕩及諧波及間諧波檢測要求。

1.3 數(shù)據(jù)傳輸

WPMU一般配置于變電站、發(fā)電廠、風(fēng)/光新能源匯集站等，通過電力調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)接入主站的通信前置機(jī)，實現(xiàn)子站與主站之間相互通信，構(gòu)成寬頻廣域監(jiān)測系統(tǒng)。因此，為了實現(xiàn)對電網(wǎng)運(yùn)行實時監(jiān)視，寬頻相量測量裝置需通過GPS統(tǒng)一授時，對電網(wǎng)內(nèi)不同測量點提供同步參考時標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)的同步采集，進(jìn)而保證所有測點所監(jiān)測到的基波相量、次/超同步相量、諧波及間諧波相量可以對齊到同一時間斷面，然后將DSP采集的帶有時標(biāo)信息的相量數(shù)據(jù)上傳至主站。

WPMU裝置采用IRIG-B碼對時方式進(jìn)行時間同步，能夠?qū)⑼綄r誤差精度控制在±1 ms范圍內(nèi)，滿足同步相量測量的基本要求。數(shù)據(jù)傳輸采用電力系統(tǒng)實時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)（GB/T 26865.2-2011）中規(guī)定的數(shù)據(jù)通信協(xié)議[16]，實現(xiàn)主站與子站之間數(shù)據(jù)的實時傳輸及歷史文件的傳輸。但是，此傳輸協(xié)議僅對基波相關(guān)數(shù)據(jù)的命名和傳輸進(jìn)行了規(guī)范，而WPMU需將測量的基波、間諧波、諧波及開關(guān)狀態(tài)等監(jiān)測數(shù)據(jù)都傳輸至監(jiān)控系統(tǒng)，因此，必須對規(guī)約進(jìn)行擴(kuò)展，才能實現(xiàn)寬頻相量數(shù)據(jù)的實時傳輸。

2 寬頻相量測量裝置功能設(shè)計及算法

大規(guī)模新能源接入使電力系統(tǒng)電力電子化程度越來越高，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，電力電子化電力系統(tǒng)具有較好的可控制性和靈活性。但由于電力電子設(shè)備呈現(xiàn)出多時間尺度特性，電網(wǎng)中各元件之間的振蕩形式更加復(fù)雜，振蕩頻率呈現(xiàn)出寬頻帶特征。為保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，需對電力系統(tǒng)振蕩進(jìn)行全面監(jiān)測，但傳統(tǒng)的監(jiān)測裝置不能有效地覆蓋全振蕩頻段，因此本文設(shè)計了一種能夠監(jiān)測多頻段振蕩的寬頻相量測量裝置。

2.1 功能設(shè)計

針對電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的寬頻帶振蕩，本文設(shè)計的WPMU包括的主要功能有：次/超同步振蕩相量測量、基波相量測量、諧波及間諧波相量測量，并能實現(xiàn)振蕩預(yù)警、數(shù)據(jù)錄波及控制保護(hù)等功能。

1）次/超同步振蕩相量測量

風(fēng)力發(fā)電與線路串聯(lián)補(bǔ)償裝置之間的相互作用，會引起新型次/超同步振蕩問題。該類型振蕩不僅含有次同步相量，而且還有與之互補(bǔ)的超同步相量。為了掌握電力系統(tǒng)次/超同步振蕩的實時動態(tài)變化特征，能夠為電力系統(tǒng)運(yùn)行提供正確的安全控制策略，本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)同時對2.5 Hz～100 Hz范圍內(nèi)次/超同步振蕩相量、基波相量的監(jiān)測。默認(rèn)振蕩模式通道為4個，可在人機(jī)交互界面設(shè)置振蕩模式篩選準(zhǔn)則，改變裝置能甄別的模式數(shù)量。

2）高頻諧波/間諧波相量測量

電力電子化電力系統(tǒng)中，大量電力電子設(shè)備之間相互作用引起振蕩頻率高達(dá)9k Hz的諧波、間諧波。為了適應(yīng)電網(wǎng)的發(fā)展，全面掌握電力系統(tǒng)的動態(tài)特性，本文中的相量監(jiān)測裝置可以實現(xiàn)31次諧波（1550 Hz）范圍內(nèi)所有間諧波、諧波的測量，采樣頻率為192點/周期，頻率分辨率為0.5 Hz。

3）基波相量監(jiān)測功能

目前基波相量監(jiān)測是電力系統(tǒng)保護(hù)與控制的重要數(shù)據(jù)來源，因此測量結(jié)果的準(zhǔn)確性是保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提。本裝置將基波相量與次/超同步相量、諧波及間諧波相量一同作為電力系統(tǒng)振蕩模態(tài)進(jìn)行監(jiān)測分析。通過獲取的電流、電壓信號，實現(xiàn)45～55 Hz范圍內(nèi)基波相量監(jiān)測。

4）擴(kuò)展功能

為了實現(xiàn)對振蕩事故的分析，本裝置增加了數(shù)據(jù)錄波、振蕩預(yù)警及保護(hù)控制等功能。當(dāng)達(dá)到設(shè)定的振蕩判據(jù)時WPMU將自動開啟錄波功能，從而能夠?qū)崿F(xiàn)故障就地分析，同時可根據(jù)次/超同步振蕩判據(jù)來控制觸發(fā)標(biāo)志，實現(xiàn)次/超同步振蕩的預(yù)警。為了讓電網(wǎng)能夠達(dá)到實時就地控制與保護(hù)，WPMU可以作為信號中繼器接受WAms主站平臺的指令信號對斷路器進(jìn)行相關(guān)操作。控制保護(hù)功能需要主站的決策信息進(jìn)行配合使用，因此在主站還未完成配置之前，該功能還處于暫未開啟的狀態(tài)。

2.2 算法實現(xiàn)

WPMU算法的具體實現(xiàn)步驟為：

1）數(shù)據(jù)采樣，通過定間隔對電壓、電流進(jìn)行采樣，采樣頻率為9600 Hz；

2）自適應(yīng)檢測，基于FFT進(jìn)行初步計算，篩選出幅值超過設(shè)定門檻的振蕩模式，然后根據(jù)頻率的大小將其分為基波相量、次/超同步相量及高頻諧波、間諧波相量，統(tǒng)稱為模態(tài)；

3）自適應(yīng)濾波，針對自適應(yīng)監(jiān)測出的各模態(tài)信號，根據(jù)初始頻率分別進(jìn)行帶通濾波，從而將各模態(tài)進(jìn)行分離；

4）補(bǔ)償校正，對各模態(tài)信號進(jìn)行相量校正，獲取各模態(tài)的頻率、幅值和相位，并通過補(bǔ)償算法對由于濾波造成的幅值和相位偏差；

5）最后對計算結(jié)果進(jìn)行處理實現(xiàn)裝置的擴(kuò)展功能，如計算次/超同步阻抗確定振蕩源。WPMU算法實現(xiàn)流程如圖2所示。

自適應(yīng)濾波是針對各模態(tài)信號，根據(jù)自適應(yīng)檢測獲取的初始頻率f0進(jìn)行帶通濾波，具體可基于二階無限沖激響應(yīng)（IIR）濾波器實現(xiàn)。自適應(yīng)檢測的模態(tài)經(jīng)過帶阻濾波后，可以獲取準(zhǔn)確的次/超同步相量、諧波/間諧波相量及基波相量的頻率、幅值及相位信息。帶通濾波器二階形式的傳遞函數(shù)為[15]。

式中，G為增益系數(shù)；ξ為阻尼系數(shù)；ωc為特征頻率。

自適應(yīng)濾波可以通過數(shù)字濾波器實現(xiàn)，其功能實現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 功能實現(xiàn)流程

3 寬頻相量測量裝置的測試

本文在實驗室內(nèi)搭建測試環(huán)境，對WPM樣機(jī)裝置的工頻信號、寬頻信號的量測精度及其動態(tài)響應(yīng)性能進(jìn)行驗證。信號發(fā)生器用來模擬測試信號，PC機(jī)用來顯示W(wǎng)PMU的測試結(jié)果。

3.1 性能測試

1）工頻信號測試

本節(jié)對WPMU在工頻（50 Hz）下幅值、頻率、相角的測量精度，測試信號如下式所示。

式中，U表示電壓幅值；f表示頻率；φ表示相位。

幅值精度測試是保持頻率和相位不變，將電壓幅值分別為額定電壓的0.1、0.5、1.0、1.2和2.0倍的信號作為測試信號，測試WPMU對電壓幅值的測量精度；頻率精度測試是保持幅值和相角不變，頻率在基波45～55 Hz范圍內(nèi)變化，測試WPMU對頻率的測量精度；相位精度測試是保持相位和頻率不變，當(dāng)電壓幅值分別在0.1、0.5和2.0倍的額定電壓下，測試裝置對相位的測量精度。從測試結(jié)果可以看出，在不同電壓幅值下，基波相量頻率幅值的最大誤差為0.0386%；頻率的最大絕對誤差為0.0016 Hz；相角最大相對誤差為0.2696°，以上測試結(jié)果均小于傳統(tǒng)PMU設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)值。因此，本文設(shè)計的WPMU的精度均在標(biāo)準(zhǔn)精度要求誤差范圍內(nèi)。

2）寬頻信號測試

為了測試WPMU所支持的最大頻率和自適應(yīng)檢測功能，在實驗過程中通過信號發(fā)生裝置，引入包含次/超同步分量、高次諧波分量和基波分量的信號。測試信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，A1=5、A2=57.734、A3=5、A4=5；f1=25 Hz、f2=50 Hz、f3=75 Hz、f4=1550。

測試信號的幅頻特性如圖3所示。圖3(a)為全頻段幅頻曲線，圖3(b)為100 Hz以內(nèi)局部放大的幅頻特性曲線。圖4為4個模態(tài)的測試結(jié)果，由圖4(a)～(d)分別對應(yīng)25 Hz（次同步）、50 Hz（基波）、75 Hz（超同步）和1550 Hz（31次諧波）分量。從圖3中可以看出，本文所設(shè)計的寬頻相量測量裝置可以有效地將各模態(tài)分離。圖4(a)-(c)中左側(cè)為各模態(tài)的幅值、右側(cè)為各模態(tài)的頻率。從圖4中可以得出，各模態(tài)的幅值和頻率均符合工頻測量精度要求（其中，幅值的精度要求為±0.002%、頻率的精度要求為±0.02 Hz)。

圖3 測試信號的幅頻特性曲線

圖4 各次諧波的幅值和頻率

3.2 動態(tài)響應(yīng)測試

3.2.1 階躍響應(yīng)

為了測試WPMU的動態(tài)響應(yīng)性能，在本測試中分別對式(1)所示測試信號的頻率、幅值和相角做階躍響應(yīng)實驗，分別為：

1）幅值階躍：諧波信號的頻率為25 Hz，其幅值由20階躍到25；

2）頻率階躍：諧波信號的幅值為75，頻率由20 Hz階躍到25 Hz；

3）相角階躍：諧波信號的頻率為50 Hz，幅值為75，相位由80°階躍為170°。

3組階躍響應(yīng)測試結(jié)果如圖5所示，圖5(a)～(c)分別為幅值、頻率和相角階躍響應(yīng)測試結(jié)果。藍(lán)色線表示初始測試信號，橙色線表示W(wǎng)PMU的測量結(jié)果。

圖5 階躍響應(yīng)測試結(jié)果

由圖6所示的測試結(jié)果可以看出，WPMU識別幅值階躍變化的響應(yīng)時間為39.5 ms，即大約一個周波的時長（25 Hz信號一個周波為40 ms）；頻率階躍實驗WPMU的響應(yīng)時間大約為兩個周波，即100 ms（頻率階躍實驗的頻率為50 Hz）；相角階躍實驗WPMU的響應(yīng)時間為30 ms。WPMU對于頻率階躍和幅值階躍的響應(yīng)時間大于傳統(tǒng)PMU的響應(yīng)時間（分別為60 ms和30 ms），這主要是由于對于寬頻相量的辨識需要時間來動態(tài)建立帶通濾波器，并且與基波相量測量相比，諧波測量需要的時間更長。

圖6 幅值調(diào)制測試結(jié)果

3.2.2 梯度調(diào)制測試

梯度調(diào)制測試的目的是測試幅值、頻率呈梯度變化時的WPMU的測量精度。式（4）、（5）分別是用于幅值調(diào)制測試、頻率調(diào)制測試的測試信號。

圖6(a)為式（4）描述的幅值調(diào)制信號，即在測試信號幅值上疊加余弦變量，其對應(yīng)的WPMU測試結(jié)果如圖6(b)所示。從測試結(jié)果可以看出，WPMU能夠有效地對調(diào)制信號進(jìn)行辨識。幅值呈現(xiàn)余弦波的形式，證明裝置的自適應(yīng)檢測算法具有精確滿足監(jiān)測要求。圖7(a)為式(5)描述的頻率調(diào)制信號，即在測試信號的頻率上疊加余弦變量，其對應(yīng)的測試結(jié)果如圖7(b)所示。從測試結(jié)果可以看出，測量的頻率有畸變，但由于測試信號不是工頻信號，因此測試結(jié)果也是在誤差允許的范圍內(nèi)。

圖7 頻率調(diào)制測試結(jié)果

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的寬頻相量測量（WPMU）裝置能夠同時開展基波相量、次/超同步相量、諧波及間諧波相量的監(jiān)測，在實驗室環(huán)境下測試了該裝置的測量性能及其動態(tài)響應(yīng)能力，結(jié)果表明：

1）WPMU在工頻（50 Hz）下的幅值、頻率、相角的測量精度優(yōu)于傳統(tǒng)PMU設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求；

2）WPMU可以將寬頻信號各模態(tài)（次/超同步分量、高次諧波分量和基波分量）有效分離，且各模態(tài)的幅值和頻率均符合工頻測量精度要求；

3）WPMU的寬頻動態(tài)響應(yīng)速度滿足基波、次/超同步振蕩測量及高頻諧波、間諧波的時間要求，能夠有效地對梯度調(diào)制信號進(jìn)行辨識。

本文設(shè)計的裝置已于2019年在云南電網(wǎng)西北部、可再生能源富集地區(qū)的五個變電站（即楚雄地區(qū)的鹿城、和平500 kV樞紐變電站和祿豐、紫溪220 kV風(fēng)電匯集站，以及大理地區(qū)的黃坪500 kV變電站）投入試運(yùn)行，將次/超同步動態(tài)數(shù)據(jù)實時上送到云南電力調(diào)度控制中心，實現(xiàn)對云南電網(wǎng)多模態(tài)振蕩的廣域監(jiān)測、溯源與預(yù)警。